一种非谐振流致振动压电发电装置及发电方法

本发明涉及流体发电机，具体为一种一种非谐振流致振动压电发电装置及发电方法。

背景技术：

1、根据授权专利号为：cn202110188049的一种薄膜机翼流致振动压电能量收集试验装置，该技术主要采用气动弹性能量收集技术解决了压电片附近的弯曲大变形，易发生疲劳断裂的问题，有效减小了在流致振动中金属薄板的变形程度，延长压电片的使用寿命，实现不同环境下的能量收集，保证能量转化效率；

2、但是该技术存在以下缺陷：薄膜机翼的振动频率较低，气流压力频率远低于压电振子的谐振频率，那么，其输出电压值、输出功率值都将达不到最佳值或最大值，虽然压电片的使用寿命得到延长，但发电效率大幅降低。

3、根据授权专利号为：cn201810197995的一种增强型气流致声激振装置及增强型气流致声激振方法，该技术主要采用气流压电发电，解决了启动速度高，声源功率转化率低的问题，实现压电换能装置振动时的较大输出功率，提供一个增强型增强型气流致声激振方法

4、但是该技术存在以下缺陷：增长振动的机制会使压电振子快速的接近其谐振频率，易发生疲劳断裂的问题。

5、根据专利公开号为：cn117595706a一种提升发电能力的增程式道路压电发电装置及装配方法，包括行程放大机构，其中，上幅板、中间板和下幅板的前侧壁和后侧壁分别安装有结构相同的增程式连杆组，中间板的顶面上竖向固定安装有传力杆，传力杆能够穿过上幅板上开设的传力杆导向孔；下幅板的顶面上竖向安装有导向杆，导向杆能够穿过中间板和上幅板上开设的导向杆导向孔；下幅板的底部固定安装有激励机构，激励机构用于给压电换能器施加压力，激励压电换能器进行压电发电。本发明的行程放大机构能够将路面的微小变形量合理放大，利于压电换能器更好的发挥能量转换性能，从而实现道路压电装置较高的能量转换。

6、该装置通过行程放大机构即常说的变幅杆放大原始激励的振动幅值来提高输出功率，但所述结构的振动频率较低，而压电发电装置的内阻与振动频率成负相关，因此当振动频率较低时，压电发电装置的内阻较大，此时不利于发电装置对外释放电能。

7、因此综上可知，现有技术存在以下缺陷：

8、1.振动频率低，能避免压电振子疲劳断裂，提高稳定性，但发电装置内阻大，输出功率低。

9、2.谐振状态振动频率高，发电机内阻减小，输出功率高，但压电振子振幅大，极易疲劳断裂，稳定性差，为此提供了一种一种非谐振流致振动压电发电装置及发电方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种一种非谐振流致振动压电发电装置及发电方法，以解决上述背景技术提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种非谐振流致振动压电发电装置，包括振动激励机构和压电换能机构，所述振动激励机构包括壳体、端盖、套筒支架和环形阻塞，所述壳体的一端设有端盖，所述壳体的外侧设有套筒支架，所述套筒支架的端部设有环形阻塞，所述压电换能机构包括空腔y1、压电振子y2和调理电路y3；

3、所述振动激励机构还包括环隙喷口d1、空腔尖劈d2和声学空腔d3。

4、作为本发明的一种优选技术方案，所述环形阻塞与套筒支架通过螺纹相连。

5、作为本发明的一种优选技术方案，所述端盖与套筒支架通过螺纹相连。

6、作为本发明的一种优选技术方案，所述环形阻塞与壳体的连接处设有环隙喷口d1，所述壳体的端部设有空腔尖劈d2。

7、作为本发明的一种优选技术方案，所述环隙喷口d1正对壳体的空腔尖劈d2。

8、作为本发明的一种优选技术方案，所述壳体的内部设有空腔y1，所述壳体和端盖之间夹和压电振子y2。

9、作为本发明的一种优选技术方案，所述压电振子y2是一种压电陶瓷片，以铜片为基底，在其中一层覆盖压电材料。

10、作为本发明的一种优选技术方案，所述壳体是一个两端开口的圆柱形管，前端加工成空腔尖劈d2，后端加工成与压电振子y2贴合的带耳结构。

11、一种采用非谐振流致振动压电发电装置进行发电的方法，所述环隙喷口d1与外部气流相通，外部气流通过环隙喷口d1产生旋涡脱落现象x1，脱落后的旋涡碰撞空腔尖劈d2后激发声波x2产生，当声波信号振动频率与声学空腔d3的声学模态频率不一致时，声波信号会通过声反馈x3到环隙喷口d1，影响旋涡脱落的频率，促使脱落频率与空腔声学模态频率一致，当声波信号振动频率与声学空腔d3的声学模态频率一致时，形成声学共振，声波幅值增大，在空腔y1内传播，声波激励在腔内辐射x5激励压电振子y2振动，压电振子y2振动产生正压电效应，将振动激励转化为电能供给调理电路y3。

12、作为本发明的一种优选技术方案，所述压电振子y2的固有频率通过阻抗分析仪实验测量，根据压电振子y2的固有频率设计空腔y1，使空腔频率接近压电振子y2的固有频率，避免共振，同时又实现高频振动，空腔y1的声学共振模态是与空腔长度和直径有关的变量，通过控制空腔的直径与长度的比值进行控制，声学频率为：f＝c/4(l+0.3d)，f表示声学频率，l表示空腔y1的长度，d表示空腔y1的直径，c表示：声音在空气中传播的速度。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种非谐振流致振动压电发电装置，用增长振动的机制增加压电振子的振动频率，以解决压电发电机输出功率低的问题。本发明还提供一种非谐振振动压电发电方法，使压电振子在非谐振状态下工作，以解决压电振子在共振时易疲劳断裂的问题。

14、该发明采用声学共振腔频率捕获技术，捕获气动弹性能量，在共振腔内形成声学共振，但该共振频率低于压电振子的固有频率，因此达到其在非谐振状态下振动，解决压电振子在共振时易疲劳断裂的问题。

15、该发明提供了一种频率捕获的方法，其原理是发电装置外部的不稳定气流在通过窄口后，形成高速射流，高速射流碰到刚性固体时，会产生边棱音，进而产生周期性的涡旋，一部分旋涡随射流前进，遇到固体时发生反射，反射的冲击波回到喷口，激发出更多旋涡，当射流向前发展碰到的固体是一个声学空腔时，边棱音就会被空腔的声学共振模态捕获，由此，产生频率捕获现象，当捕获的声学频率与压电振子固有频率不同时，就会使压电振子在非谐振状态下振动。

16、该发明通过实验数据得出压电振子的能量转换效率不低于600mw/cm3,连续工作时间不低于20s，可知本发明的具有高效率长时间稳定工作的效果；

17、该发明采用流致振动激励机构加压电换能机构相结合的形式，使气动弹性能量收集装置能够高效率稳定工作的效果。

技术特征：

1.一种非谐振流致振动压电发电装置，包括振动激励机构和压电换能机构，其特征在于：所述振动激励机构包括壳体(1)、端盖(2)、套筒支架(3)和环形阻塞(4)，所述壳体(1)的一端设有端盖(2)，所述壳体(1)的外侧设有套筒支架(3)，所述套筒支架(3)的端部设有环形阻塞(4)，所述压电换能机构包括空腔(y1)、压电振子(y2)和调理电路(y3)；

2.根据权利要求1所述的一种非谐振流致振动压电发电装置，其特征在于：所述环形阻塞(4)与套筒支架(3)通过螺纹相连。

3.根据权利要求1所述的一种非谐振流致振动压电发电装置，其特征在于：所述端盖(2)与套筒支架(3)通过螺纹相连。

4.根据权利要求1所述的一种非谐振流致振动压电发电装置，其特征在于：所述环形阻塞(4)与壳体(1)的连接处设有环隙喷口(d1)，所述壳体(1)的端部设有空腔尖劈(d2)。

5.根据权利要求4所述的一种非谐振流致振动压电发电装置，其特征在于：所述环隙喷口(d1)正对壳体(1)的空腔尖劈(d2)。

6.根据权利要求1所述的一种非谐振流致振动压电发电装置，其特征在于：所述壳体(1)的内部设有空腔(y1)，所述壳体(1)和端盖(2)之间夹和压电振子(y2)。

7.根据权利要求1所述的一种非谐振流致振动压电发电装置，其特征在于：所述压电振子(y2)是一种压电陶瓷片，以铜片为基底，在其中一层覆盖压电材料。

8.根据权利要求1所述的一种非谐振流致振动压电发电装置，其特征在于：所述壳体(1)是一个两端开口的圆柱形管，前端加工成空腔尖劈(d2)，后端加工成与压电振子(y2)贴合的带耳结构。

9.一种采用权利要求1-8任一项所述的非谐振流致振动压电发电装置进行发电的方法，其特征在于：

10.根据权利要求9所述的采用非谐振流致振动压电发电装置进行发电的方法，其特征在于：所述压电振子(y2)的固有频率通过阻抗分析仪实验测量，根据压电振子(y2)的固有频率设计空腔(y1)，使空腔频率接近压电振子(y2)的固有频率，避免共振，同时又实现高频振动，空腔(y1)的声学共振模态是与空腔长度和直径有关的变量，通过控制空腔的直径与长度的比值进行控制，声学频率为：f＝c/4(l+0.3d)，f表示声学频率，l表示空腔(y1)的长度，d表示空腔(y1)的直径，c表示：声音在空气中传播的速度。

技术总结本发明公开了一种非谐振流致振动压电发电装置及发电方法，包括振动激励机构和压电换能机构，所述振动激励机构包括壳体、端盖、套筒支架和环形阻塞，所述壳体的一端设有端盖，所述壳体的外侧设有套筒支架，所述套筒支架的端部设有环形阻塞，所述压电换能机构包括空腔Y<subgt;1</subgt;、压电振子Y<subgt;2</subgt;和调理电路Y<subgt;3</subgt;；所述振动激励机构还包括环隙喷口D<subgt;1</subgt;、空腔尖劈D<subgt;2</subgt;和声学空腔D<subgt;3</subgt;。本发明提供一种非谐振流致振动压电发电装置，用增长振动的机制增加压电振子的振动频率，以解决压电发电机输出功率低的问题。本发明还提供一种非谐振振动压电发电方法，使压电振子在非谐振状态下工作，以解决压电振子在共振时易疲劳断裂的问题。技术研发人员：李智鹏,张元良,李成栋,刘成文,李成杰,苗明达,荀佳晖,王昕瑞受保护的技术使用者：江苏海洋大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27